太阳能电池的测试.

山东理工职业学院光伏发电技术基础第三章太阳能电池的测试太阳电池发电原理示意图光伏效应知识回顾np负载光电流Iph结正向电流IDI太阳电池的表征参数1exp0TnkqVIIIIIBDphDphRsRshDIph如果忽略太阳电池的串联电阻Rs,VD即为太阳电池的端电压V，即1exp0TnkqVIIIBph1.短路电流:当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD≈0），得:phscII2.开路电压:当太阳电池的输出端开路时，I=0，得:1ln0IIqTnkVscBoc负载伏–安特性曲线如图所示影响因素：面积、光强、温度影响因素：光强、温度、材料特性4.转换效率（η）：inmmPVI最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比3.填充因子（FF）：scocmmscocmIVIVIVPFF太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比光强：1000W/m2光谱分布：AM1.5电池温度：25℃太阳电池测试通过模拟太阳灯光照射到电池片表面测试太阳电池的电性能参数3.1太阳模拟器一、概述太阳电池是将太阳能转变成电能的半导体器件，从应用和研究的角度来考虑，其光电转换效率、输出伏安特性曲线及参数是必须测量的，而这种测量必须在规定的标准太阳光下进行才有参考意义。如果测试光源的特性和太阳光相差很远，则测得的数据不能代表它在太阳光下使用时的真实情况，甚至也无法换算到真实的情况，考虑到太阳光本身随时间、地点而变化，因此必须规定一种标准阳光条件，才能使测量结果既能彼此进行相对比较，又能根据标准阳光下的测试数据估算出实际应用时太阳电池的性能参数。二、太阳辐射的基本特性1.辐照度通常称为“光强”，即入射到单位面积上的光功率，单位是W/m2或mW/cm2。对空间应用，规定的标准辐照度为1367W/m2，对地面应用，规定的标准辐照度为1000W/m2。实际上地面阳光和很多复杂因素有关，这一数值仅在特定的时间及理想的气候和地理条件下才能获得。地面上比较常见的辐射照度是在600~900W/m2范围内，除了辐照度数值范围以外，太阳辐射的特点之一是其均匀性，这种均匀性保证了同一太阳电池方阵上各点的辐照度相同。2.光谱分布太阳电池对不同波长的光具有不同的响应，就是说辐照度相同而光谱成分不同的光照射到同一太阳电池上，其效果是不同的，太阳光是各种波长的复合光，它所含的光谱成分组成光谱分布曲线，而且其光谱分布也随地点、时间及其它条件的差异而不同，在大气层外情况很单纯，太阳光谱几乎相当于6000K的黑体辐射光谱，称为AM0光谱。在地面上，由于太阳光透过大气层后被吸收掉一部分，这种吸收和大气层的厚度及组成有关，因此是选择性吸收，结果导致非常复杂的光谱分布。而且随着太阳天顶角的变化，阳光透射的途径不同吸收情况也不同。所以地面阳光的光谱随时都在变化。因此从测试的角度来考虑，需要规定一个标准的地面太阳光谱分布。目前国内外的标准都规定，在晴朗的气候条件下，当太阳透过大气层到达地面所经过的路程为大气层厚度的1.5倍时，其光谱为标准地面太阳光谱，简称AM1.5标准太阳光谱。此时太阳的天顶角为48.19，原因是这种情况在地面上比较有代表性。3.发光强度发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。1cd是指单色光源（频率540X1012HZ，波长0.550微米）的光，在给定方向上的单位立体角内发出的光强度，光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明，对于点光源由I=F/4。地面标准阳光条件是具有1000W/m2的辐照度，AM1.5的太阳光谱以及足够好的均匀性和稳定性，这样的标准阳光在室外能找到的机会很少，而太阳电池又必须在这种条件下测量，因此，唯一的办法是用人造光源来模拟太阳光，即所谓太阳模拟器。三、太阳模拟器分类1.稳态太阳模拟器2.脉冲式太阳模拟器类型定义优点缺点适合稳态工作时输出的辐照度稳定不变连续照射稳定标准太阳光光学系统和供电系统复杂庞大制造小面积太阳模拟器脉冲毫秒量级脉冲发光瞬间功率大采集系统复杂大面积测量稳态太阳模拟器脉冲式太阳模拟器模拟器光源电光源结构特征缺点备注卤光灯卤光灯加水膜光谱和日光差别大，红外线含量大，紫外线含量少，色温2300K，3cm水膜滤除部分红外线，无法补充紫外线简易型冷光灯卤钨灯加介质膜反射镜对红外线透明，其他光线反射，色温3400K灯寿命短，50H简易型氙灯氙灯加滤光片光谱接近日光，但红外线多些，用滤光片滤掉光斑不均匀，电路复杂，价格贵，光学积分设备复杂，有效面积难做大精密太阳能模拟器脉冲氙灯脉冲氙灯短时间光强强，光谱特征比稳态氙灯好，可以得到大面积均匀光斑1.辐照不均匀度的检测3.2太阳模拟器光学特性检测辐照不均匀度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度＋最小辐照度）×100％在测量单体电池时，辐照不均匀度应使用不超过待测电池面积1/4的检测电池来检测。在测量组件时，应使用不超过待测组件面积1/10的检测电池来检测。2.辐照不稳定度的检测辐照不稳定度＝±（最大辐照度－最小辐照度）/（最大辐照度＋最小辐照度）辐照不均匀度是对测试平面上不同点的辐照度而言的，当辐照度不随时间改变时：测试平面上同一点的辐照度随时间改变时：3.光谱失配误差计算光谱失配误差=05.1,5.1,1)()()(dBFFAMSAMT5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,5.1,)()()()()()()()(AMSAMSAMSAMSAMSAMTAMTAMTAMTAMTIidiiFIidiiF)(5.1,AMSF式中：分别是被测电池（T）和标准电池（S）在AM1.5状态下的相对光谱电流，即光谱电流i(λ)与短路电流I之比：)(5.1,AMTF1)()()(5.15.1BeeeAMAMsim)()()(5.1AMsimeeB即:B(λ)-1定义为光谱，表示太阳模拟器光谱辐照度esim(λ)和AM1.5的光谱辐照度eAM1.5(λ)的相对偏差.两种特殊情况下光谱失配误差消失：一种是太阳模拟器光谱和标准太阳光谱完全一致；另一种是被测太阳电池的光谱响应和标准太阳电池的光谱响应完全一致。这两种情况都难以严格实现，后一种更难实现，因为待测电池是多种多样的。为了改善光谱匹配，最好的方法是设计光谱分布和标准太阳光谱非常接近的精密型太阳模拟器。3.3测试原理测试太阳电池的电性能可归结为测量它的伏安特性。必须在统一规定的标准测试条件下进行测量或将测量结果换算为标准测试条件，才能鉴定太阳电池电性能的优劣。使用模拟阳光时，光谱取决于电光源的种类和滤光、反光系统辐照度可以用标准太阳电池短路电流的标定值来校准。标准测试条件：标准太阳光（标准光谱和标准辐照度）、标准测试温度为了减少光谱失配误差，模拟阳光的光谱应尽量接近标准阳光光谱，或选用和被测量电池光谱响应基本相同的标准太阳电池。测量电池IV特性的原理3.4电性测试条件1.测试项目2.电性能标准测试条件地面标准阳光光谱采用AM1.5标准阳光光谱。地面阳光的总辐照度规定为1000W/m2。对定标测试，标准测试温度的允许差为+1C。对非定标测试，标准测试温度允许差为+2C。如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，则必须将测量结果换算到标准测试条件。标准测试温度规定为25C。3.测量仪器与装置（1）标准太阳电池标准太阳电池用于校准测试光源的辐照度。对AM1.5工作标准太阳电池作定标测试时，用AM1.5二级标准太阳电池校准辐射度。在非定标测试中，一般用AM1.5工作标准校准辐照度，要求高时用AM1.5二级标准太阳电池。（2）电压表电压表的精度应不低于0.5级。内阻不低于20kΩ/V。（4）取样电阻取样电阻的精确度应不低于+0.2%。必须采用四端精密电阻电池短路电流和取样电阻值的乘积应不超过电池开路电压的3%。（3）电流表电流表的精度应不低于0.5级。被测电池两端的电压不超过开路电压的3%。（6）函数记录仪函数记录仪有于记录太阳电池的伏安特性曲线。函数记录仪的精密应不低于0.5级。对函数记录仪内阻的要求和对电压表内阻的要求相同。（7）温度计温度计或测温系统的仪器误差应不超过+0.5C测量系统的时间响应不超过1秒。测量探头的体积和形状应保证它能尽量靠近太阳电池的pn结安装。（8）室内测试光源辐照度、辐照和均匀度、稳定度、准直性及光谱分布均应符合一定的要求。所规定的测试项目中，开路电压和短路电流可以用电直接测量，其它参数从伏安特性求出。（5）负载电阻负载电阻应能从零平滑地调节到10K以上。必须有足够的功率容量，以保证在通电测量时不会因发热而影响测量精度。当可变电阻不能满足上述条件时，应采用等效的电子可变负载。4.基本测试方法开路电压和短路电流可以通过电表直接测量，其他参数从伏安特性求出、太阳电池的伏安特性应在标准条件下、标准地面阳光、太阳模拟器或者其他等效的模拟阳光下测量。测量过程中，单体太阳电池的测试温度必须恒定在标准测试温度。模拟阳光的辐照度只能用标准太阳电池来校准，不采用其他辐射测量仪表。用校准辐照度的标准太阳电池应和待测太阳电池具有基本相同的光谱响应，5.从非标准测试条件换算到标准测试条件电流和电压换算公式:当测试温度、辐照度和标准测试条件不一致时，可用以下换算公式校正到标准测试条件：12122121212121TTTTKIIIRVVTTaIIIIISMRSRSC如果受客观条件限制，只能在非标准条件下测量，则测试结果应转换为STC条件。6.室外阳光下测试(1)测试场地及周围环境测试场地周围的地面空旷，不遮光。反光及散光的任何物体。测试场地周围地面上应无高反射的物体，如冰雪、白灰和亮沙子等。测试场地周围应空气清洁，尽量避开灰尘、烟雾等。(2)气候及阳光条件天气晴朗，太阳周围无云。阳光总辐照度不低于标准总辐照度的80%，天空散射光所占比例不大于总辐射的25%。(3)安装要求被测电池、标准电池应安装在同一平面上，并尽量靠近，测试平面的法线和入射光线的夹角应不大于5。7.电性能测量（1）pn结特性测量一般测量正向特性的方法是直接外加正向偏置电压到太阳电池上，直接测量结电压和结电流，如图所示更直接观测pn结特性的方法是用示波器，测量pn结特性时，如果通过大电流时，pn结内阻就非常小，电池内串联电阻Rs的影响就比较大，在Rs上的压降接近于结电压Vj，测出的伏安曲线有很大的误差，可通过光电压和光电流法解决。]1)[exp(0AkTqVJJocsc（2）电池负载特性测量其中：E1和E2是两个直流电源，并且E1的电压必须大于所测量太阳电池的开路电压；Rh是一个可变电阻Rp是一个精密电阻，或者被称为负载电阻，当从下向上滑动可变电阻，使得被测量的太阳电池从反向偏置状态向正向偏置状态变化，太阳电池逐渐从短路状态向开路状态变化，从而对太阳电池的I-V特性进行扫描。（3）组件的额定工作温度(NOCT)组件的额定工作温度和它的实际工作温度tr以及环境温度te之间有如下的经验公式：ENOCTtte8020r式中E为测量时的实际辐照度。以下是一组参考（NOCT）：（4）绝缘电阻的测量绝缘电阻测量是测量组件输出端和金属基板或框架之间的绝缘电阻。在某些环境试验项目进行前后都需测量绝缘电阻。在测量前先作安全检查，对于已经安装使用的方阵首先应检查对地电位、静电效应，以及金属基板、框架、支架等接地是否良好等，建议最好光用容量足够大的开关设备把待测方阵的输出端短路后再进行测量，可以用普通的兆欧表来测量绝缘电阻，但应选用电压等级大致和待测方阵的开路电压相当的兆欧表。测量绝缘电阻时，大气相对温度应不大于75%。8.地面用硅太阳电池组件环境试验概况1.温度交变从高温到低温反复交替变化称为温度交变。交变的温度范围规定为—40+3~+